CN109455662B - 一种固态纳米孔结构 - Google Patents

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Abstract

一种新型固态纳米孔结构，涉及微纳医疗检测应用技术领域，适合于生物分子修饰位置精确控制，该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列，所述纳米孔阵列由依序排列的顶层、中间层和底层组成，所述顶层和底层为保护层纳米孔阵列，所述中间层为生物分子修饰位置层，本发明结构简单，利用纳米孔三明治结构中的材料与生物分子功能团之间结合力的差别实现生物分子修饰位置精确控制，有利于提高生物分子的检测精度，在精准医疗检测领域有着较广的使用前景。

Description

一种固态纳米孔结构
技术领域
本发明涉及微纳医疗检测应用技术领域，具体涉及一种固态纳米孔结构。
背景技术
1996年，Kasianowicz等人(Kasianowicz J J,Brandin E,Branton D,etal.Characterization of individual polynucleotide molecules using a membranechannel[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,1996,93(24):13770-13773.)提出纳米孔测序方法，利用电场驱动带负电荷的DNA分子穿过纳米孔时，碱基物理占位产生阻塞电流信号，通过测量该信号的幅值与时间特性实现测序。纳米孔测序启发生物分子检测研究。基于纳米孔测序阻塞电流理论，单纳米孔传感器可识别单个生物分子，如肿瘤标志物分子：甲基化DNA、microRNA等。基于单纳米孔的生物分子定量检测面临着检测效率与精确问题的困扰。
纳米孔作为核心功能单元，利用DNA或RNA碱基配对、抗原-抗体特异性识别，在纳米孔内壁修饰抗体、DNA或RNA探针，将会捕获与之配对的生物分子，实现生物分子的定量检测。然而，利用现有的化学方法对纳米孔阵列进行生物分子修饰时(以抗原-抗体为例)，在纳米孔内壁与孔口边缘将同时修饰抗体分子，都会捕获肿瘤标志物(抗原)。由此导致孔口边缘抗体捕获的肿瘤标志物不被阻塞电流信号表达，从而降低了肿瘤标志物的检测精度。如何解决纳米孔抗体修饰位置问题，是基于纳米孔的生物分子精确定量检测所面临的严峻的挑战。因此，研究一种固态纳米孔结构具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种固态纳米孔结构，该纳米孔结构简单，有利于提高生物分子检测精度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种固态纳米孔结构，适合于生物分子修饰位置精确控制，该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列，所述纳米孔阵列由依序排列的顶层、中间层和底层组成，所述顶层和底层为保护层纳米孔阵列，所述中间层为生物分子修饰位置层。
其中，所述三明治结构纳米孔阵列的孔数量为1～1000000个。
优选地，所述三明治结构纳米孔阵列的孔数量为1000～50000个。
优选地，所述三明治结构纳米孔阵列的孔数量为5000～20000个。
其中，所述顶层的厚度为2～20nm，所述底层的厚度为2～20nm，所述中间层的厚度为10～500nm。
优选地，所述顶层的厚度为6～16nm，所述底层的厚度为6～16nm，所述中间层的厚度为100～300nm。
优选地，所述顶层的厚度为6～16nm，所述底层的厚度为10～12nm，所述中间层的厚度为150～250nm。
其中，所述保护层纳米孔阵列的材料为半导体绝缘层材料，所述生物分子修饰位置层的材料为纳米材料。
优选地，所述保护层纳米孔阵列的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛和二氧化铪中的至少一种或任一种，所述生物分子修饰位置层的材料为硅、氧化硅、金、银、钛、铝和石墨烯中的至少一种或任一种，所述顶层和底层的材料相同或者不同。
其中，所述固态纳米孔结构在进行表面化学修饰时，所述保护层纳米孔阵列反应生成的表面基团与生物分子官能团不能稳定结合，所述中间层材料反应生成的表面基团与生物分子官能团稳定结合，所述生物分子为肿瘤标志物、抗体、DNA、RNA、DNA和RNA探针中的一种。
本发明的有益效果：本发明的固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列，所述纳米孔阵列由依序排列的顶层、中间层和底层组成，所述顶层和底层为保护层纳米孔阵列，所述中间层为生物分子修饰位置层。本发明利用纳米孔三明治结构中的材料与生物分子功能团之间结合力的差别，将生物分子控制在纳米孔通道中部，解决了生物分子修饰位置不可控的难题，结构简单，有利于提高生物分子检测精度。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的修饰抗体分子后示意图；
图3显示为本发明的捕获抗原分子示意图。
图中，三明治结构纳米孔阵列_1、抗体分子_2、抗原分子_3、顶层_10、中间层_11、底层_12、纳米孔_13。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明并不局限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种固态纳米孔结构，该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列1，所述三明治结构纳米孔阵列1由依序排列的顶层10、中间层11和底层12组成，所述顶层10和底层12为保护层纳米孔阵列，保护层纳米孔阵列的材料为氧化硅，所述中间层11为生物分子修饰位置层，生物分子修饰位置层的材料为硅，生物分子为抗体。
如图2和图3所示，在进行表面化学修饰时，顶层10和底层12的纳米孔阵列材料不反应，或反应生成的表面基团与生物分子官能团不能稳定结合，中间层11材料反应生成的表面基团与生物分子官能团稳定结合，生物分子为肿瘤标志物抗体，本实施例中所述生物分子为与PSA抗原分子3特异性结合的PSA抗体分子2，在进行表面化学修饰时，利用中间层11硅表面形成的羟基，进行硅烷化修饰，聚合在中间层11硅表面的硅烷末端为氨基，然后加入戊二醛与硅烷反应形成以羧基结尾的自组装单分子层(SAM)，随后针对PSA抗原分子3，将一端有氨基修饰的PSA抗体分子2通过与羧基的结合作用偶联到中间层11硅纳米孔的表面上。
本实施例结构简单，可以实现生物分子在纳米孔的修饰位置精确控制，解决生物分子修饰位置不可控的难题，提高生物分子的检测精度。
三明治结构纳米孔阵列的孔数量可以设置为1～1000000个，本实施例中，优选的孔数量为3个，顶层的厚度可以设置为2～20nm，底层的厚度可以设置为2～20nm，中间层的厚度可以设置为10～500nm，本实施例中，顶层的厚度优选为15nm，底层的厚度优选为15nm，中间层的厚度优选为100nm。
通过对三明治结构纳米孔阵列的孔数量的优选，以及顶层、中间层和底层的厚度设置，可以更好的提高生物分子的检测精度。
实施例2：
本实施例提供一种固态纳米孔结构，该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列1，所述三明治结构纳米孔阵列1由依序排列的顶层10、中间层11和底层12组成，所述顶层10和底层12为保护层纳米孔阵列，保护层纳米孔阵列的材料为氮化硅，所述中间层11为生物分子修饰位置层，生物分子修饰位置层材料为氧化硅，生物分子为探针DNA。
在进行表面化学修饰时，顶层10和底层12的纳米孔阵列材料不反应，或反应生成的表面基团与生物分子官能团不能稳定结合，中间层11材料反应生成的表面基团与生物分子官能团稳定结合，生物分子为探针DNA，本实施例中所述生物分子为与甲基化DNA3配对的探针DNA2，在进行表面化学修饰时，利用中间层11氧化硅表面形成的羟基，进行硅烷化修饰，聚合在中间层11氧化硅表面的硅烷末端为氨基，然后加入戊二醛与硅烷反应形成以羧基结尾的自组装单分子层(SAM)，随后针对甲基化DNA3，将一端有氨基修饰的探针DNA2通过与羧基的结合作用偶联到中间层11金纳米孔的表面上。
本实施例结构简单，可以实现生物分子在纳米孔的修饰位置精确控制，解决生物分子修饰位置不可控的难题，提高生物分子的检测精度。
三明治结构纳米孔阵列的孔数量可以设置为1～1000000个，本实施例，孔数量为50个，顶层的厚度可以设置为2～20nm，底层的厚度可以设置为2～20nm，中间层的厚度可以设置为10～500nm，本实施例中，顶层的厚度优选为11nm，底层的厚度优选为11nm，中间层的厚度优选为150nm。
通过对三明治结构纳米孔阵列的孔数量的优选，以及顶层、中间层和底层的厚度设置，可以更好的提高生物分子的检测精度。
实施例3：
本实施例提供一种固态纳米孔结构，该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列1，所述三明治结构纳米孔阵列1由依序排列的顶层10、中间层11和底层12组成，所述顶层10和底层12为保护层纳米孔阵列，保护层纳米孔阵列的材料为氧化铝，所述中间层11为生物分子修饰位置层，生物分子修饰位置层的材料为金，生物分子为RNA探针。
在进行表面化学修饰时，顶层10和底层12的纳米孔阵列材料不反应，或反应生成的表面基团与生物分子官能团不能稳定结合，中间层11材料反应生成的表面基团与生物分子官能团稳定结合，生物分子为探针RNA，本实施例中所述生物分子为与microRNA3配对的探针RNA2，在进行表面化学修饰时，利用Au-S键的稳定结合，加入2，2’-二硫二乙醇，与中间层11金自组装得到以羧基结尾的自组装单分子层(SAM)，随后针对microRNA3，将一端有氨基修饰的探针RNA2通过与羧基的结合作用偶联到中间层11金纳米孔的表面上。
本实施例结构简单，可以实现生物分子在纳米孔的修饰位置精确控制，解决生物分子修饰位置不可控的难题，提高生物分子的检测精度。
三明治结构纳米孔阵列的孔数量可以设置为1～1000000个，优选的孔数量为1000～50000个，本实施例中，孔数量为100个，顶层的厚度可以设置为2～20nm，底层的厚度可以设置为2～20nm，中间层的厚度可以设置为10～500nm，本实施例中，顶层的厚度优选为13nm，底层的厚度优选为13nm，中间层的厚度优选为200nm。
通过对三明治结构纳米孔阵列的孔数量的优选，以及顶层、中间层和底层的厚度设置，可以更好的提高生物分子的检测精度。
实施例4：
本实施例提供一种固态纳米孔结构，该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列1，所述三明治结构纳米孔阵列1由依序排列的顶层10、中间层11和底层12组成，所述顶层10和底层12为保护层纳米孔阵列，保护层纳米孔阵列的材料为氧化钛，所述中间层11为生物分子修饰位置层，生物分子修饰位置层的材料为铝，生物分子为癌胚抗原单克隆抗体。
在进行表面化学修饰时，顶层10和底层12的纳米孔阵列材料不反应，或反应生成的表面基团与生物分子官能团不能稳定结合，中间层11材料反应生成的表面基团与生物分子官能团稳定结合，生物分子为癌胚抗原单克隆抗体，本实施例中所述生物分子为与癌胚抗原3特异性识别的单克隆抗体2，在进行表面化学修饰时，利用中间层11铝表面形成的羟基，进行硅烷化修饰，聚合在中间层11铝表面的硅烷末端为氨基，然后加入戊二醛与硅烷反应形成以羧基结尾的自组装单分子层(SAM)，随后针对癌胚抗原3，将一端有氨基修饰的癌胚抗原单克隆抗体2通过与羧基的结合作用偶联到中间层11金纳米孔的表面上。
本实施例结构简单，可以实现生物分子在纳米孔的修饰位置精确控制，解决生物分子修饰位置不可控的难题，提高生物分子的检测精度。
三明治结构纳米孔阵列的孔数量可以设置为1～1000000个，本实施例中，孔数量为2500个，顶层的厚度可以设置为2～20nm，底层的厚度可以设置为2～20nm，中间层的厚度可以设置为10～500nm，本实施例中，顶层的厚度优选为17nm，底层的厚度优选为17nm，中间层的厚度优选为250nm。
通过对三明治结构纳米孔阵列的孔数量的优选，以及顶层、中间层和底层的厚度设置，可以更好的提高生物分子的检测精度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种固态纳米孔结构，适合于生物分子修饰位置精确控制，其特征在于：该固态纳米孔结构包括一个三明治结构纳米孔阵列，所述纳米孔阵列由依序排列的顶层、中间层和底层组成，所述顶层和底层为保护层纳米孔阵列，所述中间层为生物分子修饰位置层；所述保护层纳米孔阵列的材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钛和二氧化铪中的至少一种，所述生物分子修饰位置层的材料为硅、氧化硅、金、银、钛、铝和石墨烯中的至少一种，所述顶层和底层的材料相同或者不同；所述固态纳米孔结构在进行表面化学修饰时，所述保护层纳米孔阵列反应生成的表面基团与生物分子官能团不能稳定结合，所述中间层材料反应生成的表面基团与生物分子官能团稳定结合，所述生物分子为肿瘤标志物，生物分子为与PSA抗原分子特异性结合的PSA抗体分子，在进行表面化学修饰时，利用中间层硅表面形成的羟基，进行硅烷化修饰，聚合在中间层硅表面的硅烷末端为氨基，然后加入戊二醛与硅烷反应形成以羧基结尾的自组装单分子层，随后针对PSA抗原分子，将一端有氨基修饰的PSA抗体分子通过与羧基的结合作用偶联到中间层硅纳米孔的表面上；或者生物分子为探针DNA，中间层氧化硅表面形成的羟基，进行硅烷化修饰，聚合在中间层氧化硅表面的硅烷末端为氨基，然后加入戊二醛与硅烷反应形成以羧基结尾的自组装单分子层随后针对甲基化DNA，将一端有氨基修饰的探针DNA通过与羧基的结合作用偶联到中间层金纳米孔的表面上；或者生物分子为探针RNA，生物分子为与microRNA配对的探针RNA2，在进行表面化学修饰时，利用Au-S键的稳定结合，加入2，2’-二硫二乙醇，与中间层金自组装得到以羧基结尾的自组装单分子层，随后针对microRNA，将一端有氨基修饰的探针RNA通过与羧基的结合作用偶联到中间层金纳米孔的表面上。
2.根据权利要求1所述的一种固态纳米孔结构，其特征在于：所述三明治结构纳米孔阵列的孔数量为1～1000000个。
3.根据权利要求2所述的一种固态纳米孔结构，其特征在于：所述三明治结构纳米孔阵列的孔数量为1000～50000个。
4.根据权利要求3所述的一种固态纳米孔结构，其特征在于：所述三明治结构纳米孔阵列的孔数量为5000～20000个。
5.根据权利要求1所述的一种固态纳米孔结构，其特征在于：所述顶层的厚度为2～20nm，所述底层的厚度为2～20nm，所述中间层的厚度为10～500nm。
6.根据权利要求5所述的一种固态纳米孔结构，其特征在于：所述顶层的厚度为6～16nm，所述底层的厚度为6～16nm，所述中间层的厚度为100～300nm。
7.根据权利要求5所述的一种固态纳米孔结构，其特征在于：所述顶层的厚度为6～16nm，所述底层的厚度为10～12nm，所述中间层的厚度为150～250nm。
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